TW201803191A - 用於無遮罩薄膜電池製造的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於無遮罩地製造一薄膜電池的方法，包括以下步驟：以具有一孔的一第一夾持環將一基板固定至一第一沉積腔室的一基板載體；在該基板上執行一第一沉積，以形成一第一TFB層，該第一夾持環的該孔定義該第一層的一覆蓋區，其中該基板被該第一夾持環覆蓋的區域被排除自該第一敷層沉積；以具有一孔的一第二夾持環將該基板固定至一第二沉積腔室的一基板載體；及在該基板上執行一第二沉積，以在該第一層上方形成一第二TFB層，該第二夾持環的該孔定義該第二層的一覆蓋區，其中該基板及該第一層被該第二夾持環覆蓋的區域被排除自該第二敷層沉積。

Description

用於無遮罩薄膜電池製造的系統及方法
本實施例大致關於薄膜電池的製造，且更具體而言是關於使用無遮罩的沉積技術來製造薄膜電池。
已知固態薄膜電池（TFB）相較於傳統的電池技術展現了若干優點。該等優點包括優越的形狀因子、週期壽命、電力性能及安全性。仍然存在著用以允許TFB之廣泛市場適用性的高性價比及高體積製造（HVM）相容的製造技術的需要。
TFB的實施例可包括以垂直堆疊佈置安置的複數個層，該等層包括由固態電解質分離的正電極層（例如陰極）及負電極層（例如陽極）。該等層通常是藉由使用沉積腔室在基板上連續沉積層來形成的。經沉積之層的表面區域或「覆蓋區」是使用在沉積期間定位在基板上方的遮罩來定義的。因為TFB的一或更多個層相對於其他層可能具有獨一的覆蓋區，為了製造TFB通常需要複數個遮罩。
與用於製造TFB的有遮罩沉積技術相關聯的缺點是在沉積期間容易遭受正電極及負電極層之間的電短路，可能導致不可逆的設備故障。此外，在設備製造期間實施許多遮罩減少了產量且增加了製造成本。
據此，在本領域中仍然存在著與高性價比及HVM相容以強化TFB的市場適用性之用於TFB的製造程序及技術的需要。
是針對該等及其他考量而提供本揭示案。
用於依據本揭示案之無遮罩TFB製造之系統的示例性實施例可包括：一沉積腔室，被調適為在一基板上沉積該TFB的一第一層，該第一沉積腔室具有被調適為將該基板固定至一第一基板載體的一第一夾持環。該第一夾持環可具有有著定義該第一層之一覆蓋區之一尺寸及形狀的一孔，且一第二沉積腔室被調適為在該第一層上方沉積該TFB的一第二層。該第二沉積腔室可具有被調適為將該基板固定至一第二基板載體的一第二夾持環，該第二夾持環具有有著定義該第二層之一覆蓋區之一尺寸及形狀的一孔。
用於依據本揭示案之無遮罩TFB製造之方法的示例性實施例可包括以下步驟：以具有一孔的一第一夾持環將一基板固定至一第一沉積腔室的一基板載體。該方法可更包括以下步驟：在該基板上執行一第一敷層沉積，以形成該TFB的一第一層，其中該第一夾持環的該孔定義該第一層的一覆蓋區。該基板被該第一夾持環覆蓋的區域被排除自該第一敷層沉積。該方法可更包括以下步驟：以具有一孔的一第二夾持環將該基板固定至一第二沉積腔室的一基板載體；及在該基板上執行一第二敷層沉積，以在該第一層上方形成該TFB的一第二層。該第二夾持環的該孔定義該第二層的一覆蓋區，其中該基板及該第一層被該第二夾持環覆蓋的區域被排除自該第二敷層沉積。
用於依據本揭示案之無遮罩TFB製造之方法的另一示例性實施例可包括以下步驟：以具有一孔的一第一夾持環將一基板固定至一第一沉積腔室的一基板載體。該方法可更包括以下步驟：在該基板上執行一第一敷層沉積，以形成該TFB的一正電極層，其中該第一夾持環的該孔定義該正電極層的一覆蓋區。該基板被該第一夾持環覆蓋的區域被排除自該第一敷層沉積。該方法可更包括以下步驟：以具有一孔的一第二夾持環將該基板固定至一第二沉積腔室的一基板載體；及在該基板上執行一第二敷層沉積，以在該正電極層上方形成該TFB的一固態電解質層。該第二夾持環的該孔定義該固態電解質層的一覆蓋區，其中該基板及該第一層被該第二夾持環覆蓋的區域被排除自該第二敷層沉積。該方法可更包括以下步驟：以具有一孔的一第三夾持環將該基板固定至一第三沉積腔室的一基板載體；及在該基板上執行一第三敷層沉積，以在該固態電解質層上方形成該TFB的一負電極層。該第三夾持環的該孔定義該負電極層的一覆蓋區，其中該基板、該第一層及該第二層被該第三夾持環覆蓋的區域被排除自該第三敷層沉積。
現將參照隨附繪圖在下文中更完全地描述本實施例，某些實施例圖示於該等繪圖處。本揭示案的標的可以許多不同形式實現，且不要被建構為限於本文中所闡述的實施例。在繪圖中，類似的標號在各處指稱類似的構件。
本揭示案關於用於製造薄膜電池（TFB）的系統及方法。具體而言，所揭露的系統及方法與高產量生產及高體積製造方法學相容。如將理解地，TFB的高產量生產包括了某些挑戰。例如，TFB之層的濺鍍沉積可能在TFB的正電極及負電極層之間造成電短路，可能導致不可逆的設備故障。可能在追求較高產量以達成減少整體製造成本同時維持TFB中之層、介面、設備穩定性/應力及單元效能的基本需求的目標時，加劇了該等問題。所揭露的系統及方法解決及克服了該等問題。
一般而言，所揭露的系統及方法利用不同尺寸（例如不同的內部區域）的基板夾持環或邊緣排斥環（在下文中統稱為「夾持環」）以供在基板上達成同心的邊緣排斥區域以選擇性地變化TFB之依序沉積的層的表面區域。例如，如下文將更詳細描述的，基板可使用第一夾持環來固定至沉積腔室中的基板載體（例如托架）。第一夾持環可與基板載體分離或整合，且可具有圓形、矩形或其他的形狀。可接著在基板上執行敷層沉積以產生TFB的第一層（例如正電極），其中第一夾持環的內部區域定義了第一層之「覆蓋區」的表面區域。可接著移除第一夾持環，且基板可再次被夾持至基板載體。該基板載體可為用於第一沉積中的相同基板載體，或相同或不同沉積腔室中的不同基板載體，該沉積腔室使用具有大於第一夾持環內部區域之內部區域的第二夾持環。可接著在基板上執行敷層沉積以產生TFB的第二層（例如固態電解質），其中第二夾持環的內部區域定義了第二層的覆蓋區。
因為第二夾持環的內部區域大於第一夾持環的內部區域，TFB的第二層可能重疊下層的第一層且可能完全重疊下層的第一層的邊緣。可接著移除第二夾持環，且基板可再次被夾持至基板載體。該基板載體可為用於第一及/或第二沉積中的相同基板載體，或相同或不同沉積腔室中的不同基板載體，該沉積腔室使用具有小於第二夾持環內部區域之內部區域的第三夾持環。可接著在基板上執行敷層沉積以在第二層的頂部上產生第三層（例如負電極）。因此，藉由中間第二層的敷層沉積確保了TFB之第一及第三層之間的實體分離，且防止了第一及第三層（例如正電極及負電極）之間的電短路。TFB可如下文進一步描述地包括各種其他層。
如將理解的，可使用本文中所述的程序及提供工具的佈置來製造各種不同的TFB架構。圖1為一非限制性橫截面圖，繪示了適於使用本文中所述的系統及方法來製造的示例性TFB 10的若干層。所繪示的TFB 10可包括製造在基板14上的層堆疊12。層堆疊12可包括正電極層16、固態電解質層18及負電極層20。如將由本領域中具通常技藝者所理解的，TFB 10可包括使用本文中未圖示或描述的程序及製造方法來形成的各種額外的層及/或元件（例如陰極電流收集器（CCC）層、陽極電流收集器（ACC）層、各種黏著層、保護塗層等等）。因此，圖1中所繪示的TFB 10不要作為整個TFB設備的精確表示。圖1僅為適於使用本文中所述之系統及方法來製造之TFB之離散部分的示意表示。
正電極層16可為LiCoO2 或類似的材料。固態電解質18可為鋰磷氮氧化物（LiPON）或類似的材料。負電極層20可包括鋰或含鋰的材料。在一個非限制性的實施例中，層堆疊12可具有15微米的厚度。圖1繪示適於使用下文所述之系統及方法來製造之TFB結構的一個可能佈置，且本文中所揭露的概念可施用於各種其他TFB架構（例如不同的電池堆疊佈置）。
圖2為一示意圖，繪示用於同所揭露之系統及方法使用的示例性沉積腔室22。沉積腔室22可包括真空殼24、濺鍍靶26、基板28、基板載體30及夾持環32。夾持環32可獨立於基板載體30，或可為基板載體30的集成元件。在一個非限制性示例中，對於LiPON的沉積而言濺鍍靶26可為Li3 PO4 ，且取決於電化學設備的類型，合適的基板28可為矽、Si上的氮化矽、玻璃、薄陶瓷箔、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、雲母、金屬箔（例如銅）等等。真空殼24可具有真空泵系統34、處理氣體供應系統36及連接至濺鍍靶26的電源38。電源38可包括用於處置RF的匹配網路及濾波器，且在某些實施例中可依需要包括多個頻率源。如下文將更詳細描述的，本揭示案的系統及方法可涉及以用於製造TFB之連續層的預定義順序實施與沉積腔室22類似的複數個沉積腔室。
參照圖3，圖示了繪示用於依據本揭示案無遮罩地製造TFB之若干層之示例性方法的流程圖。現將與圖4a-6b中所示的示意表示結合詳細描述該方法。
於示例性製造方法的方塊100處，且如圖4a中所描繪的，與上述基板28類似的基板40可藉由與上述沉積腔室22類似之沉積腔室的第一夾持環44來夾持至基板載體42。為了明確起見，基板40、基板載體42及第一夾持環44被圖示為與所忽略之相關聯的沉積腔室的周圍元件隔離。第一夾持環44可為環狀的，且可定義具有直徑d1的圓孔46。在一個非限制性的實施例中，直徑d1可在100毫米至450毫米的範圍中。在各種替代性實施例中，第一夾持環44及/或孔46可依照特定應用的需要而具有各種不同的形狀，例如矩形、卵形、三角形、不規則形等等。孔46的尺寸及形狀可相對應於要沉積於基板40上之TFB之第一層的預定覆蓋區。
於示例性製造方法的方塊105處，可在基板40上執行第一沉積以形成TFB的第一層48（參照圖4b）。在一個非限制性示例中，第一層48可為以LiCoO2 或類似材料形成的正電極層。在沉積第一層48的期間，基板40未被第一夾持環44覆蓋的部分（亦即基板40在孔46正下方的部分）可暴露於沉積。同時，基板40被第一夾持環44覆蓋的部分（亦即基板40除了孔46下方的部分以外在第一夾持環44正下方的部分）可被屏蔽而免於沉積。因此，參照圖4B中所示之基板40的頂視圖，經沉積的第一層48可具有有著直徑d1的圓形覆蓋區，且可由基板40不受沉積的環狀部分50圍繞。
於示例性製造方法的方塊110處，可從基板40移除第一夾持環44，從基板載體42釋放基板40。於方法的方塊115處，基板40可藉由如圖5a中所示的第二夾持環54來夾持至基板載體52。在本揭示案的非限制性實施例中，基板載體52及第二夾持環54可為與用於沉積上述第一層48的沉積腔室22分離及不同的沉積腔室的元件。例如，參照圖8，本揭示案的系統可包括以順序方式實施的第一沉積腔室22及分離的第二沉積腔室25。使用單獨的沉積腔室（可能是相同沉積工具的元件）可改良製造產量，因為在基板40經受第二層的沉積（於下文描述）的同時，另一基板可同時以上述方式經受第一層的沉積。在本揭示案的另一實施例中，基板載體52及第二夾持環54可為用於沉積上述第一層48之相同沉積腔室的元件（例如基板載體52可與基板載體42相同）。
第二夾持環54可定義具有直徑d2的圓孔56。在一個非限制性示例中，直徑d2可大於第一夾持環44之孔46的直徑d1（例如給定相同的外徑，第二夾持環54可能在徑向上較第一夾持環44為薄），且可在100毫米至450毫米的範圍中。因此，在基板40被夾持至基板載體52時，環狀隙g可被徑向定義在第二夾持環54及基板40上之第一層48的徑向邊緣中間。在各種替代性實施例中，第二夾持環54及/或孔56可依照特定應用的需要而具有各種不同的形狀，例如矩形、卵形、三角形、不規則形等等。孔56的尺寸及形狀可相對應於要沉積於基板40上之TFB之第二層的預定覆蓋區。在某些實施例中，孔56的尺寸及形狀可與第一夾持環44之孔46的尺寸及形狀相同。
於示例性製造方法的方塊120處，可在基板40上執行第二沉積以形成TFB的第二層58（參照圖5b）。在一個非限制性示例中，第二層58可為以鋰磷氮氧化物（LiPON）或類似材料形成的固態電解質層。在沉積第二層58的期間，第一層48及基板40未被第二夾持環54覆蓋的部分（亦即基板40在孔56正下方的部分）可暴露於沉積。同時，基板40被第二夾持環54覆蓋的部分（亦即基板40除了孔56下方的部分以外在第二夾持環54正下方的部分）可被屏蔽而免於沉積。因此，參照圖5B中所示之基板40的頂視圖，經沉積的第二層58可具有有著直徑d2的圓形覆蓋區，且可由基板40不受沉積的環狀部分60徑向圍繞。因為直徑d2大於第一層48之覆蓋區的直徑d1，且因為第一層48及第二層58是同心的，第二層58可完全覆蓋第一層48且可重疊該第一層的邊緣。
於示例性製造方法的方塊125處，可從基板40移除第二夾持環54，從基板載體52釋放基板40。於方法的方塊130處，基板40可藉由如圖6a中所示的第三夾持環64來夾持至基板載體62。在本揭示案的非限制性實施例中，基板載體62及第三夾持環64可為與用於沉積上述第一及第二層48、58的沉積腔室分離及不同的沉積腔室的元件。使用單獨的沉積腔室可改良製造產量，因為在基板40經受第三層的沉積（於下文描述）的同時，其他基板可同時以上述方式經受第一及第二層的沉積。在本揭示案的另一實施例中，基板載體62及第二夾持環64可為用於沉積上述第一層48及/或第二層58之相同沉積腔室的元件（例如基板載體62可與基板載體52及/或基板載體42相同）。
第三夾持環64可定義具有直徑d3的圓孔66。在一個非限制性示例中，直徑d3可小於第二夾持環54之孔56的直徑d2（例如給定相同的外徑，第三夾持環64可能在徑向上較第二夾持環54為厚），且可在100毫米至450毫米的範圍中。因此，在基板40被夾持至基板載體62時，第三夾持環64可接合第二層58的上表面。在各種替代性實施例中，第三夾持環64及/或孔66可依照特定應用的需要而具有各種不同的形狀，例如矩形、卵形、三角形、不規則形等等。孔66的尺寸及形狀可相對應於要沉積於基板40上之TFB之第三層的預定覆蓋區。在某些實施例中，孔66的尺寸及形狀可與第二夾持環54及/或第一夾持環44之孔56的尺寸及形狀相同。
於示例性製造方法的方塊135處，可在基板40上執行第三沉積以形成TFB的第三層68（參照圖6b）。在一個非限制性示例中，第三層68可為以鋰或含鋰材料形成的負電極層。在沉積第三層68的期間，第二層58未被第三夾持環64覆蓋的部分（亦即第二層58在孔66正下方的部分）可暴露於沉積。同時，基板40及第二層58被第三夾持環64覆蓋的部分（亦即第二層58除了孔66下方的部分以外在第三夾持環64正下方的部分）可被屏蔽而免於沉積。因此，參照圖6B中所示之基板40的頂視圖，經沉積的第三層68可具有有著直徑d3的圓形覆蓋區，且可由第二層58不受第三層68沉積的環狀部分70徑向圍繞。
參照圖7，圖示了繪示基板40及TFB之經沉積的第一、第二及第三層48、58、68的堆疊72的橫截面圖。如可見的，第二層58完全覆蓋第一層48，包括第一層48的徑向邊緣。第三層68（安置在第二層58頂上）藉由第二層58與第一層48完全分離。因此，在本揭示案的示例性實施例中（其中第一層48為正電極層，第二層58為固態電解質層，而第三層68為負電極層），固態電解質層完全將正電極層與負電極層分離。所述的配置有效地防止了正電極層及負電極層之間的電短路。
存在由本實施例所提供的多個優點。第一優點包括促進透過無遮罩的敷層沉積來製造具有變化的覆蓋區的連續的、堆疊的TFB層，導致相對於在沉積期間需要實施遮罩的製造系統及方法而言減少了製造成本且改良了產量。另一優點包括在是使用具有各別夾持環的各別的、單獨的沉積腔室來沉積上述各種TFB層的情況下的強化產量，該等夾持環被調適為用於定義各別的層。如此，在製造過程中不需要改變特定沉積腔室的配置。並且，沉積腔室可在第一基板上執行TFB層中的一者的沉積，同時另一沉積腔室同時在另一基板上執行TFB層中的另一者的沉積。
本揭示案在範圍上不受本文中所述的特定實施例所限。確實，除了本文中所述的彼等實施例及更改以外，本領域中具通常技藝者將藉由上述說明及隨附繪圖理解本揭示案的其他各種實施例及對於本揭示案的更改。因此，該等其他實施例及更改是要落在本揭示案的範圍內的。並且，已在針對特定目的之特定環境中的特定實施方式的背景下描述本揭示案，但本領域中具通常技藝者將辨識到效用是不限於此的，且可針對任何數量的目的在任何數量的環境中有益地實施本揭示案。因此，要鍳於如本文中所述之本揭示案的完整範圍及精神來建構下文所闡述的請求項。
10‧‧‧TFB
12‧‧‧層堆疊
14‧‧‧基板
16‧‧‧正電極層
18‧‧‧固態電解質層
20‧‧‧負電極層
22‧‧‧沉積腔室
24‧‧‧真空殼
25‧‧‧第二沉積腔室
26‧‧‧濺鍍靶
28‧‧‧基板
30‧‧‧基板載體
32‧‧‧夾持環
34‧‧‧真空泵系統
36‧‧‧處理氣體供應系統
38‧‧‧電源
40‧‧‧基板
42‧‧‧基板載體
44‧‧‧第一夾持環
46‧‧‧孔
48‧‧‧第一層
50‧‧‧環狀部分
52‧‧‧基板載體
54‧‧‧第二夾持環
56‧‧‧圓孔
58‧‧‧第二層
60‧‧‧環狀部分
62‧‧‧基板載體
64‧‧‧第三夾持環
66‧‧‧圓孔
68‧‧‧第三層
70‧‧‧環狀部分
72‧‧‧堆疊
100‧‧‧方塊
105‧‧‧方塊
110‧‧‧方塊
115‧‧‧方塊
120‧‧‧方塊
125‧‧‧方塊
130‧‧‧方塊
135‧‧‧方塊
d1‧‧‧直徑
d2‧‧‧直徑
d3‧‧‧直徑
g‧‧‧環狀隙
圖1為一橫截面圖，繪示被設想為供藉由所揭露的系統及方法來製造的示例性薄膜電池結構；
圖2為一示意圖，繪示用於實施所揭露之系統及方法之實施例的示例性沉積腔室；
圖3為一流程圖，繪示依據本揭示案的示例性方法；
圖4a為一橫截面圖，繪示經受本揭示案之方法的受夾持基板；
圖4b為一頂視圖，繪示依據本揭示案沉積第一層之後的基板；
圖5a為一橫截面圖，繪示經受本揭示案之方法的受夾持基板；
圖5b為一頂視圖，繪示依據本揭示案沉積第二層之後的基板；
圖6a為一橫截面圖，繪示經受本揭示案之方法的受夾持基板；
圖6b為一頂視圖，繪示依據本揭示案沉積第三層之後的基板；
圖7為一橫截面圖，繪示藉由圖3-6b中所描繪的方法所造成的示例性薄膜電池結構。
圖8為依據本揭示案之系統的示意說明，該系統包括複數個依序實施的沉積腔室。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
(請換頁單獨記載) 無
22‧‧‧沉積腔室
24‧‧‧真空殼
26‧‧‧濺鍍靶
28‧‧‧基板
30‧‧‧基板載體
32‧‧‧夾持環
34‧‧‧真空泵系統
36‧‧‧處理氣體供應系統
38‧‧‧電源

Claims (15)

  1. 一種用於無遮罩薄膜電池（TFB）製造的系統，包括： 一第一沉積腔室，被調適為在一基板上沉積該TFB的一第一層，該第一沉積腔室具有被調適為將該基板固定至一第一基板載體的一第一夾持環，該第一夾持環具有有著定義該第一層之一覆蓋區之一尺寸及形狀的一孔；及 一第二沉積腔室，被調適為在該第一層上方沉積該TFB的一第二層，該第二沉積腔室具有被調適為將該基板固定至一第二基板載體的一第二夾持環，該第二夾持環具有有著定義該第二層之一覆蓋區之一尺寸及形狀的一孔。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該第一沉積腔室及該第二沉積腔室為相同的沉積腔室。
  3. 如請求項1所述之系統，其中該第一基板載體及該第二基板載體為相同的基板載體。
  4. 如請求項1所述之系統，其中該第一夾持環的該孔具有一第一尺寸，而該第二夾持環的該孔具有一第二尺寸，其中該第二尺寸大於該第一尺寸。
  5. 如請求項4所述之系統，其中該第一夾持環相對於該基板的一位置與該第二夾持環相對於該基板的一位置同心。
  6. 如請求項1所述之系統，其中由該第二夾持環的該孔所定義的該覆蓋區被調適為完全覆蓋由該第一夾持環的該孔所定義的該覆蓋區及重疊該覆蓋區的邊緣。
  7. 如請求項1所述之系統，更包括：一第三沉積腔室，被調適為在該第二層上方沉積該TFB的一第三層，該第三沉積腔室具有被調適為將該基板固定至一第三基板載體的一第三夾持環，該第三夾持環具有有著定義該第三層之一覆蓋區之一尺寸及形狀的一孔。
  8. 一種用於無遮罩地製造一薄膜電池（TFB）的方法，包括以下步驟： 以具有一孔的一第一夾持環將一基板固定至一第一沉積腔室的一基板載體； 在該基板上執行一第一敷層沉積，以形成該TFB的一第一層，其中該第一夾持環的該孔定義該第一層的一覆蓋區，且其中該基板被該第一夾持環覆蓋的區域被排除自該第一敷層沉積； 以具有一孔的一第二夾持環將該基板固定至一第二沉積腔室的一基板載體；及 在該基板上執行一第二敷層沉積，以在該第一層上方形成該TFB的一第二層，其中該第二夾持環的該孔定義該第二層的一覆蓋區，且其中該基板及該第一層被該第二夾持環覆蓋的區域被排除自該第二敷層沉積；
  9. 如請求項8所述之方法，其中該第一沉積腔室及該第二沉積腔室為相同的沉積腔室。
  10. 如請求項8所述之方法，其中該第一沉積腔室的該基板載體及該第二沉積腔室的該基板載體為相同的基板載體。
  11. 如請求項8所述之方法，其中該第一夾持環的該孔具有一第一尺寸，而該第二夾持環的該孔具有一第二尺寸，其中該第二尺寸大於該第一尺寸。
  12. 如請求項8所述之方法，其中該第一夾持環相對於該基板的一位置與該第二夾持環相對於該基板的一位置同心。
  13. 如請求項8所述之方法，其中該第二層完全覆蓋該第一層且重疊該第一層的邊緣。
  14. 如請求項8所述之方法，更包括下列步驟： 以具有一孔的一第三夾持環將該基板固定至一第三沉積腔室的一基板載體；及 在該基板上執行一第三敷層沉積，以在該第二層上方形成該TFB的一第三層，其中該第三夾持環的該孔定義該第三層的一覆蓋區，且其中該基板、該第一層及該第二層被該第三夾持環覆蓋的區域被排除自該第三敷層沉積。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該第一層為一正電極層，該第二層為一固態電解質層，而該第三層為一負電極層。
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